DE19619115A1 - Durch einen elektrischen Impuls schrittweise verstellbaren Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durch einen elektrischen Im­ puls schrittweise verstellbaren, insbesondere für ein Zeigerinstrument ausgebildeten Schrittmotor, welcher ein schrittweise verdrehbares Stellteil hat.

Solche Schrittmotoren werden beispielsweise in Tachome­ tern heutiger Kraftfahrzeuge häufig eingesetzt und sind damit bekannt. Hierbei wandelt der Schrittmotor die elek­ trischen Impulse in einzelne Winkelschritte des Stell­ teils um. Diese Winkelschritte werden dann auf eine mit dem Stellteil verbundene Zeigerwelle des Zeigerinstrumen­ tes übertragen. Die Anzahl der ausgeführten Winkel­ schritte ist abhängig von der Anzahl der elektrischen Im­ pulse. Bei einer schnellen Impulsfolge geht die Schritt­ bewegung in eine nahezu kontinuierliche Bewegung über. Der Schrittmotor hat häufig einen Stator mit mehreren, voneinander unabhängig ansteuerbaren Spulen, welche ein Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wird zu Magnetpo­ len weitergeleitet, welche um einen mit Permanentmagneten besetzten, als Stellteil ausgebildeten Rotor gruppiert sind. Der Rotor bewegt sich in Abhängigkeit von dem Ma­ gnetfeld in eine Position mit dem geringsten magnetischen Widerstand.

Nachteilig an dem bekannten Schrittmotor ist der mecha­ nisch schwierige Aufbau und die aufwendige Ansteuerung. Der Schrittmotor benötigt zumindest zwei Spulen mit je­ weils zwei Magnetpolen, die abwechselnd angesteuert wer­ den müssen. Dies führt dazu, daß ein solcher Schrittmotor für jede Spule einen eigenen Wechselschalter benötigt, der die Polung der Spulen umschaltet.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Schritt­ motor der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß er bei einem mechanisch möglichst einfachen Aufbau das Stellteil in reproduzierbaren Schrittweiten bewegt und keine aufwendige Steuerung benötigt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er zum Drehen des Stellteils ein von einer Feder in einer Grundstellung gehaltenes, relativ zu einem Stellring verdrehbares und von dem elektrischen Impuls auslenkbares Aktorelement hat, welches einen einem Segment des Stellrings gegenüberstehenden oder in eine Ausnehmung des Stellrings eingreifenden Mitnehmer aufweist.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor benötigt ein einziges Aktorelement, welches von dem elektrischen Impuls ausge­ lenkt wird. Durch die Auslenkung verstellt der auf dem Aktorelement angeordnete Mitnehmer den Stellring bei­ spielsweise um einen Schritt. Nach jedem elektrischen Im­ puls wird das Aktorelement von der Feder in seine Grund­ stellung zurückgeschwenkt. Bei einem erneuten Impuls wird der Stellring erneut um einen Schritt weiterbewegt. Die Steuerung des erfindungsgemäßen Schrittmotors gestaltet sich damit besonders einfach, da hier im Gegensatz zu dem bekannten Schrittmotor kein Wechselschalter notwendig ist. Werden mehrere Aktorelemente zur gleichsinnigen Be­ wegung des Stellrings eingesetzt, werden sie auch gemein­ sam angesteuert. Der Mitnehmer kann den Stellring mecha­ nisch oder magnetisch weiterbewegen. Selbstverständlich kann anstelle des Stellrings auch eine Stellscheibe vor­ gesehen sein.

Der Schrittmotor könnte für zwei Drehrichtungen ausgebil­ det werden, indem er zwei getrennt voneinander ansteuer­ bare, zur gegensinnigen Bewegung des Stellrings ausgebil­ dete Aktorelemente hat. Der Schrittmotor besteht jedoch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus besonders wenigen Bauteilen, wenn das Aktorelement von der Feder in eine Mittelstellung gehalten und zum wahl­ weisen Auslenken in eine vorgesehene Richtung ausgebildet ist.

Ein einen Rotor und einen Stator aufweisender Schrittmo­ tor gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Wei­ terbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn der Rotor den Stellring und der Stator das Aktorele­ ment aufweist.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor ist besonders platzspa­ rend aufgebaut, wenn der Rotor rohrförmig gestaltet und das Aktorelement im Innern des Rotors angeordnet ist.

Das Aktorelement könnte beispielsweise um ein Gelenk schwenkbar gelagert und von einer Spiralfeder in seiner Grundstellung gehalten sein. Der Schrittmotor ist jedoch gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Er­ findung besonders kostengünstig herstellbar, wenn das Ak­ torelement eine mit einem Ende eingespannte und auf dem anderen Ende den Mitnehmer tragende Blattfeder hat. Hier­ durch wird die Anzahl der Bauteile des Schrittmotors so gering wie möglich gehalten und gleichzeitig die Montage vereinfacht.

Der Schrittmotor benötigt keine Spule, wenn das Aktorele­ ment gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Auslenkung mit einer piezoelektrisch erreg­ baren Beschichtung versehen ist. Diese Gestaltung hat den Vorteil, daß der Schrittmotor besonders wenig Elektrosmog und keine magnetischen Felder erzeugt, die andere elek­ tronische Bauteile stören könnten. Da der Schrittmotor keine magnetisch erregbaren Teile hat, wird er auch nicht durch fremde magnetische Felder gestört. Der Schrittmotor ist deshalb auch besonders zuverlässig.

Das Aktorelement ist gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders kostengünstig her­ stellbar, wenn das Aktorelement einen mit einer elektri­ schen Heizung versehenen Bimetallstreifen hat. Ein sol­ cher Bimetallstreifen ist selbst ein federndes Bauteil und macht damit eine zusätzliche Anordnung der Feder überflüssig.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor reagiert besonders schnell auf den elektrischen Impuls, wenn das Aktorele­ ment einen elektrischen Leiter mit einem Formgedächtnis hat.

Der bekannte Schrittmotor läßt sich bei nur geringen Än­ derungen der Ansteuerelektronik durch den erfindungsgemä­ ßen Schrittmotor ersetzen, wenn das Aktorelement gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Aus­ lenkung mit einer magnetostriktiven Beschichtung versehen und in einem mittleren Bereich von einer Spule umgeben ist, wobei die Spule zum Erzeugen eines magnetischen Fel­ des durch den elektrischen Impuls ausgebildet ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß das angelegte magnetische Feld nicht nur die Auslenkung des Aktorelements bewirkt, sondern auch nach den Regeln der Reluktanz einen mit fer­ romagnetischen Segmenten versehenen Stellring ohne zu­ sätzliche magnetische oder mechanische Elemente mitführt. Nach Ausschalten des Magnetfeldes verbleibt der Rotor in seiner neuen Stellung, während das Aktorelement in seine Ausgangsstellung zurückkehrt und dem nächsten Segment des Rotors gegenübersteht. Die Drehrichtung des erfindungsge­ mäßen Schrittmotors läßt sich durch ein einfaches Umpolen der Spule verändern.

Der Schrittmotor benötigt zur Bewegung des Stellrings keinen mechanisch in diesen eingreifenden Mitnehmer, wenn das Aktorelement gemäß einer anderen vorteilhaften Wei­ terbildung der Erfindung im wesentlichen aus einem von der Spule magnetisierbaren Material gefertigt ist und wenn der Stellring von mehreren, in ihrer Polung alter­ nierend angeordneten Magneten gebildet sind. Hierdurch entsteht zwischen dem Aktorelement und dem Stellring keine den Energiebedarf des Schrittmotors erhöhende me­ chanische Reibung, was insbesondere einen besonders ge­ räuscharmen Betrieb des Schrittmotors zur Folge hat.

Die Schrittweite des Schrittmotors läßt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach dadurch erhöhen, wenn das Aktorelement von einem Magneten gegen seine Bewegungsrichtung vorgespannt ist. Die Ma­ gnete können beispielsweise Elektro- oder Permanentma­ gnete sein.

Zur Erzeugung des den Stellring mit führenden elektroma­ gnetischen Feldes wird besonders wenig elektrische Ener­ gie benötigt, wenn der Stellring auf der dem Aktorelement gegenüberliegenden Seite ein Rückschlußelement hat.

Das Rückschlußelement gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv be­ sonders einfach, wenn der Stellring von einem aus ferro­ magnetischem Material gefertigten Rückschlußring umgeben ist.

Der Schrittmotor läßt sich gemäß einer anderen vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung einfach an ein Ge­ triebe anschließen, wenn der Stellring auf seiner Innen- oder Außenseite als Zahnrad ausgebildet ist.

Der Schrittmotor ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbil­ dung der Erfindung einfach mit einem Zeiger eines Zeiger­ instruments zu verbinden, wenn der Stellring mittels Haltearmen mit einer im Zentrum des Schrittmotors angeordne­ ten Rotorwelle verbunden ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßen Schrittmotors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Aktorelement und einen mit Magneten versehenen Stellring aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein durch einen Piezoef­ fekt auslenkbares Aktorelement,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Aktorelement mit einem Bimetallstreifen und einer elektrischen Heizung,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Aktorelementes mit einem elektrischen Leiter mit einem Formge­ dächtnis.

Die Fig. 1 zeigt einen für den Antrieb eines Zeigerin­ struments ausgebildeten Schrittmotor 1. Der Schrittmotor 1 hat einen drehbar gelagerten Stellring 2 und zwei fest­ stehende diametral gegenüberliegende Aktorelemente 3, 4. Der Stellring 2 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen, aus ferromagnetischem Material gefertigten Segmenten 5, 5a, 5b, die von einem nichtmagnetischen Material vonein­ ander getrennt sind, und ist von einem Rückschlußring 6 umgeben. Der Stellring 2 ist mittels Haltearme 7, 7a mit einer im Zentrum des Schrittmotors 1 drehbar gelagerten Rotorwelle 8 verbunden, auf welcher ein Zeiger 9 des Zeigerinstruments angeordnet ist. Die Aktorelemente 3, 4 sind jeweils mit einem Ende an einem im Zentrum des Schrittmotors 1 angeordneten Lagerbock 10 befestigt und mit dem zweiten Ende bis zu dem Stellring 2 herangeführt und in einem mittleren Bereich jeweils von einer Spule 11, 12 umgeben. Von den Spulen 11, 12 sind zwei elektri­ sche Leitungen 13, 14 aus dem Schrittmotor 1 bis zu zwei Anschlußkontakten 15, 16 herausgeführt. Die Spulen 11, 12 sind untereinander mit einer Leitung 17 verbunden, so daß beide Spulen 11, 12 gemeinsam über die Anschlußkontakte 15, 16 angesteuert werden können.

Der Aufbau eines der Aktorelemente 3 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 besonders anschaulich dargestellt. Das Aktorele­ ment 3 hat eine aus einem magnetisierbaren Material ge­ fertigte Blattfeder 18, die sich von dem Lagerbock 10 bis kurz vor den Stellring 2 erstreckt. Dies entspricht einer Grundstellung des Aktorelements 3. Seitlich hat die Blattfeder 18 jeweils eine Beschichtung 19, 20 aus einem magnetostriktiven Material, welches bei Anlegung eines magnetischen Feldes seine Form verändert. Die Beschich­ tung 20 besteht beispielsweise aus einer amorphen Schicht, einer Tb_xFe_1-x, einer (Tb_yDy_1-y)_xFe_1-x oder einer Sm_xFe_1-x-Verbindung. Das magnetische Feld wird von der Spule 11 erzeugt, die das Aktorelement 3 in seinem mitt­ leren Bereich umgibt.

Die Spule 11 erzeugt bei einem elektrischen Impuls ein magnetisches Feld, wodurch die Beschichtung 20 seine Form verändert und gleichzeitig die Blattfeder 18 magnetisiert wird. Der dem Stellring 2 zugewandte Bereich der Blattfe­ der 18 führt den magnetischen Fluß über die Segmente 5, 5a, 5b des Stellrings 2 zum Rückschlußring 6. Das Aktor­ element 3 wird dabei um den Winkel α ausgelenkt. Gleich­ zeitig dreht sich der Stellring 2, im Bestreben den ma­ gnetischen Widerstand möglichst gering zu halten, um ei­ nen einzelnen Winkelschritt. Das Aktorelement 3 ist hier in seiner ausgelenkten Stellung mit einer strichpunktier­ ten Linie dargestellt. Nach Beendigung des elektrischen Impulses schwenkt die Blattfeder 18 das Aktorelement 3 wieder in seine Grundstellung zurück. Da nach Beendigung des elektrischen Impulses die Blattfeder 18 nicht mehr magnetisiert ist, verbleibt der Stellring 2 in seiner Lage. Durch eine Abfolge von Impulsen wird der Stellring 2 schrittweise weiterbewegt. Bei einer Umpolung der Spule 11 wird das Aktorelement 3 in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt.

Zum Verstellen des Stellrings 2 können die Segmente 5, 5a, 5b selbstverständlich auch magnetisiert oder es kann auf dem Ende des Federelements 18 des Aktorelements 3 ein Dauermagnet 21 angeordnet sein.

In Fig. 3 hat das Aktorelement 3 auf seinem dem Stell­ ring 2 zugewandten Ende eine Federzunge 22. Der Stellring 2 hat eine Vielzahl von über den Umfang verteilte Stege 23, 23a. Die Federzunge 22 greift in zwischen den Stegen 23, 23a vorhandene Ausnehmungen 24, 24a. Die Blattfeder 18 des Aktorelementes 3 ist jeweils seitlich mit einer Beschichtung 25, 26 aus einem piezoelektrisch erregbaren Material versehen. Als piezoelektrisch erregbare Materia­ lien sind beispielsweise kristalline Schichten aus PbTiO₃, Pb(Ti_1-xZr_x)O₃, AlN oder ZnO bekannt geworden. Durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschluß­ kontakte 15, 16 wird das Aktorelement 3 ausgelenkt und führt den Stellring 2 entsprechend seiner Auslenkung mit. Anschließend schwenkt die Blattfeder 18 das Aktorelement 3 wieder in seine strichpunktiert eingezeichnete Grund­ stellung zurück. Die Federzunge 22 ist derart auf dem Ak­ torelement 3 befestigt, daß sie bei einer Bewegung des Aktorelements 3 nach oben den Stellring 2 mitführt, sich jedoch bei einer Bewegung des Aktorelements 3 nach unten von dem Steg 23 weg biegt. Anstelle der Federzunge 22 könnte auch ein mit dem elektrischen Impuls ansteuerbarer Elektromagnet vorhanden sein, der den in Fig. 2 darge­ stellten Stellring 2 mitführt. Alternativ dazu kann auch ein nicht dargestellter Mitnehmer mit einem Scharnier derart auf dem Aktorelement 3 angeordnet sein, daß es bei einem Auslenken des Aktorelements 3 in die Ausnehmungen 24 eingreift und einen der Stege 23 mit nimmt und bei ei­ nem Zurückschwenken des Aktorelements von dem Scharnier zurückgeklappt wird.

In Fig. 4 hat das Aktorelement 3 einen Bimetallstreifen 27 und an seiner Oberseite eine elektrische Heizung 28. Zum Hervorrufen eines Bimetalleffekts sind beispielsweise polykristalline Schichten aus Ni-Ni_0,25Fe_0,75 bekannt ge­ worden. Bei einem Anschalten der Heizung 28 wird der Bi­ metallstreifen 27 erwärmt und lenkt das Aktorelement 3 aus. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Stellring 2 durch die Federzunge 22 verstellt.

In Fig. 5 hat das Aktorelement 3 einen elektrischen Lei­ ter 29 mit einem Formgedächtnis. Dieser Leiter 29 ist U- förmig gestaltet und wird nahe zweier Lagerböcke 30, 31 mit den Anschlußkontakten 15, 16 kontaktiert. Durch einen elektrischen Impuls bewegt sich das Aktorelement 3 aus der Zeichenebene heraus. Ein solcher elektrischer Leiter 29 besteht häufig aus einem kristallinen trainierten Ma­ terial aus NiTi oder (Ni_1-xCu_x)Ti.

Claims (15)

1. Durch einen elektrischen Impuls schrittweise verstell­ barer, insbesondere für ein Zeigerinstrument ausgebilde­ ter Schrittmotor, welcher einen schrittweise verdrehbares Stellteil hat, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Drehen des Stellteils (Rotorwelle 8) ein von einer Feder (Blattfeder 18) in einer Grundstellung gehaltenes, rela­ tiv zu einem Stellring (2) verdrehbares und von dem elek­ trischen Impuls auslenkbares Aktorelement (3, 4) hat, welches einen einem Segment (5) des Stellrings (2) gegen­ überstehenden oder in eine Ausnehmung (24) des Stellrings (2) eingreifenden Mitnehmer (Magnetpol 21, Federzunge 22) aufweist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3, 4) von der Feder (Blattfeder 18) in eine Mittelstellung gehalten und zum wahlweisen Aus­ lenken in eine vorgesehene Richtung ausgebildet ist.

3. Schrittmotor mit einem Rotor und einem Stator nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor den Stellring (2) und der Stator das Aktorelement (3, 4) aufweist.

4. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (Stellring 2) rohrförmig gestaltet und das Aktorelement (3, 4) im Innern des Rotors (Stellring 2) angeordnet ist.

5. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3, 4) eine mit einem Ende eingespannte und auf dem ande­ ren Ende den Mitnehmer (Magnetpol 21, Federzunge 22) tra­ gende Blattfeder (18) hat.

6. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) zur Auslenkung mit einer piezoelektrisch erregbaren Beschichtung (25, 26) versehen ist.

7. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) einen mit einer elektrischen Heizung (28) versehenen Bimetallstreifen (27) hat.

8. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) einen elektrischen Leiter (29) mit einem Formgedächt­ nis hat.

9. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) zur Auslenkung mit einer magnetostriktiven Beschich­ tung (19, 20) versehen und in einem mittleren Bereich von einer Spule (11) umgeben ist, wobei die Spule (11) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch den elektrischen Impuls ausgebildet ist.

10. Schrittmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) im wesentlichen aus einem von der Spule (11) magnetisierbaren Material gefertigt ist und daß der Stellring (2) von mehreren in ihrer Polung alternierend angeordneten Magneten (5) gebildet sind.

11. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorelement (3) zur Erhöhung der Schrittweite von einem Magneten ge­ gen seine Bewegungsrichtung vorgespannt ist.

12. Schrittmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stellring (2) auf der dem Aktorelement (3) gegenüberliegenden Seite ein Rückschlußelement (Rückschlußring 6) hat.

13. Schrittmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stellring (2) von einem aus ferromagneti­ schen Material gefertigten Rückschlußring (6) umgeben ist.

14. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (2) auf seiner Innen- oder Außenseite als Zahnrad ausgebildet ist.

15. Schrittmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (2) mittels Haltearmen (7) mit einer im Zentrum des Schritt­ motors (1) angeordneten Rotorwelle (8) verbunden ist.